Carbeto de silício vs. silício: A Comparative Study of Semiconductors in High-Temperature Applications (Estudo comparativo de se

1 Introdução

Com a ampla aplicação de semicondutores em vários aspectos da produção e da vida, os requisitos de desempenho para materiais semicondutores em diferentes cenários de uso estão se tornando cada vez mais diversificados. Em muitos ambientes de aplicação, os materiais semicondutores precisam trabalhar em altas temperaturas, o que exige alta estabilidade térmica, estabilidade elétrica e densidade de potência dos materiais semicondutores. De acordo com esses requisitos, os wafers de carbeto de silício (SiC) e silício (Si) têm recebido atenção como materiais semicondutores com estrutura e propriedades estáveis e boa estabilidade térmica. A estrutura de diamante desses dois cristais atômicos os torna extremamente estáveis termicamente, e eles podem assumir mais funções semicondutoras em ambientes de alta temperatura. Neste artigo, analisaremos as diferenças de desempenho e as razões para seu desempenho em cenários de aplicação de semicondutores de alta temperatura sob a perspectiva da estrutura cristalina e das propriedades físico-químicas, e forneceremos referências para suas escolhas em combinação com o processo de preparação e o custo.

2 Estrutura cristalina e propriedades do carbeto de silício e do wafer de silício

2.1 Estrutura cristalina e propriedades do carbeto de silício

De acordo com a estrutura cristalina, o carbeto de silício pode ser dividido em carbeto de silício α hexagonal e carbeto de silício β cúbico. O carbeto de α-silício (α-SiC) é o tipo policristalino mais comum e, de acordo com a disposição dos átomos, é dividido em 4H-SiC e 6H-SiC. Na estrutura cristalina do 4H-SiC, os átomos de silício e os átomos de carbono são dispostos em camadas alternadas, formando a estrutura de rede cristalina hexagonal, enquanto no 6H-SiC, forma a estrutura de rede cristalina hexagonal e tetragonal alternada. A Figura 1 ilustra o arranjo atômico dessas duas estruturas cristalinas.

Fig.1 Estrutura cristalina de 4H-SiC (esquerda) e 6H-SiC (direita)

Para o α-SiC, algumas das propriedades do 4H-SiC e do 6H-SiC são ligeiramente diferentes devido a pequenas diferenças em suas estruturas de rede. O 4H-SiC tem uma grande tolerância de incompatibilidade de rede, que caracteriza a capacidade do cristal de manter um certo grau de estabilidade e qualidade cristalina, mesmo quando há uma correspondência imperfeita entre os arranjos atômicos na rede, e é um parâmetro importante para descrever a plasticidade e a estabilidade do material cristalino sob a ação da tensão. É um parâmetro importante para descrever a plasticidade e a estabilidade dos materiais cristalinos sob tensão. A combinação de maior tolerância de incompatibilidade de rede com maior força de campo de ruptura e melhor condutividade elétrica resulta em maior estabilidade e confiabilidade dos dispositivos 4H-SiC, que apresentam bom desempenho em eletrônica e optoeletrônica de alta potência. Em contraste, o 6H-SiC tem maior mobilidade de elétrons e menor seção transversal de captura de elétrons, o que proporciona ao 6H-SiC melhores propriedades de transporte de portadores, inclusive mobilidade e vida útil.

O carbeto de β-silício (β-SiC) pode ser representado como 3C-SiC de acordo com o arranjo atômico, em que cada átomo de silício é cercado por quatro átomos de carbono e quatro átomos de silício vizinhos na estrutura de rede cúbica. A Figura 2 mostra a estrutura de seu arranjo atômico.

Fig. 2 Estrutura cristalina do 3C-SiC

Em comparação com o β-SiC, os α-SiCs oferecem melhor custo-benefício e confiabilidade do dispositivo porque suas estruturas cristalinas têm melhor estabilidade, menores concentrações de impureza e menores densidades de defeitos, o que permite que operem em condições de alta temperatura, alta potência e alta tensão. Quanto ao 3C-SiC, sua estrutura cristalina permite que ele tenha a maior velocidade teórica de elétrons, mas é suscetível a impurezas, o que resulta em traços de corrosão por impurezas. O 3C-SiC tem alta mobilidade de elétrons e taxa de desvio de saturação de elétrons, bem como baixa concentração de impurezas e correntes de fuga, o que permite que ele seja usado em eletrônicos de alta potência, dispositivos de RF etc., mas devido à diferença em sua estrutura de rede cristalina e materiais de substrato de silício e, portanto, não é adequado para a fabricação de circuitos integrados. As diferentes estruturas cristalinas das propriedades físicas e químicas específicas do SiC e a estrutura cristalina dos parâmetros relevantes podem ser vistas na Tabela 1.

Tabela 1 Propriedades dos cristais de SiC com diferentes estruturas cristalinas

2.2 Estrutura cristalina e propriedades do silício

Os cristais de silício têm uma estrutura típica de diamante, com átomos de silício dispostos de forma equidistante para formar uma estrutura cúbica, e cada átomo de silício conectado aos quatro átomos de silício circundantes por meio de ligações covalentes para formar uma estrutura orto-tetraédrica extremamente estável, o que confere aos monômeros de silício um alto ponto de fusão (1414°C) e estabilidade térmica. A Figura 3 é uma representação esquemática da estrutura de um cristal de silício.

Fig.3 Estrutura cristalina do Si

Cada átomo de silício em um cristal de silício é conectado a quatro átomos de silício circundantes por ligações covalentes, formando uma estrutura cristalina estável. Isso torna o silício química e termicamente estável, com um ponto de fusão de cerca de 1414 graus Celsius. O silício também tem uma alta condutividade térmica de cerca de 1,5 a 1,7 watts por metro-kelvin (W/m-K), o que o torna importante para aplicações de dissipação de calor e gerenciamento térmico. O silício é um semicondutor de bandgap indireto com uma largura de bandgap de cerca de 1,1 elétron-volt (eV). À temperatura ambiente, o silício se comporta como um isolante, mas quando excitado (por exemplo, por um aumento na temperatura ou pela aplicação de um campo elétrico), os elétrons podem saltar para a banda de condução, tornando-o um semicondutor. Nos cristais de silício puro, a concentração de elétrons e buracos é muito baixa, portanto, ele se comporta como um isolante. Entretanto, com a dopagem ou a aplicação de um campo elétrico, podem ser introduzidos portadores livres adicionais, fazendo com que o silício apresente a condutividade de um semicondutor ou condutor.

Fig.4 Diagrama da estrutura da banda de energia de um cristal de silício

3 Como o SiC e o Si são melhores do que outros materiais semicondutores

3.1 Desafios dos materiais semicondutores em ambientes de alta temperatura

Em altas temperaturas, os materiais são suscetíveis ao estresse térmico e à expansão térmica, o que leva ao rompimento da estrutura cristalina e à degradação das propriedades. Para materiais semicondutores, especialmente aqueles como o silício, a estabilidade térmica é fundamental. A estrutura cristalina não afeta apenas o índice de desempenho do dispositivo, mas também pode ter um impacto direto sobre a operação e a segurança de todo o processo. Ao mesmo tempo, as propriedades elétricas dos materiais semicondutores são propensas a mudar em ambientes de alta temperatura, por exemplo, a condutividade, a concentração de portadores etc. podem ser afetadas pela temperatura e pela mudança, o que pode levar a um declínio no desempenho dos dispositivos eletrônicos ou a falhas. Além disso, os materiais semicondutores em ambientes de alta temperatura são propensos a reações químicas com oxigênio, vapor de água etc. no ambiente circundante, resultando em oxidação da superfície do material, corrosão ou difusão de impurezas no material e outros fenômenos que afetam a estabilidade e a vida útil do dispositivo. O calor gerado dentro do dispositivo que trabalha em um ambiente de alta temperatura também pode fazer com que a temperatura aumente novamente, afetando, assim, o desempenho e a estabilidade do dispositivo. Portanto, bons sistemas de condução térmica e dissipação de calor são essenciais para dispositivos semicondutores em ambientes de alta temperatura.

3.2 Vantagens e desvantagens do carbeto de silício e do silício

3.2.1 Propriedades térmicas

O Si tem um ponto de fusão de aproximadamente 1414 graus Celsius e o SiC tem um ponto de fusão de aproximadamente 2700 graus Celsius. A condutividade térmica do silício é de cerca de 1,5 a 1,7 watts por metro-kelvin (W/m-K). O SiC tem uma condutividade térmica mais alta, normalmente entre 3 e 4,9 watts por metro Kelvin (W/m-K), dependendo da temperatura e da estrutura do cristal. Conforme mostrado na Figura 5, a condutividade térmica do carbeto de silício é três vezes maior do que a do silício. Em uma visão abrangente da capacidade de suportar ambientes de alta temperatura, o SiC pode suportar temperaturas mais altas do que o Si e tem um desempenho de dissipação de calor mais excelente, que pode ser priorizado no uso de requisitos de temperatura extremamente alta.

Fig.5 O carbeto de silício tem condutividade térmica 3 vezes maior que a do silício

3.2.2 Propriedades fotoelétricas

O SiC é um semicondutor de banda larga com uma largura de banda de 2,2 a 3,3 elétron-volts (eV). O Si é um semicondutor de banda estreita com uma largura de banda menor, de cerca de 1,1 elétron-volts (eV). A largura do bandgap determina as propriedades condutoras do material. Os materiais com um bandgap pequeno geralmente se comportam como bons condutores ou semicondutores porque os elétrons podem saltar para a banda de condução com relativa facilidade e participar do comportamento condutor. Materiais com bandgaps maiores, por outro lado, geralmente se comportam como isolantes porque os elétrons precisam de energias mais altas para saltar para a banda de condução, resultando em materiais com poucos portadores livres à temperatura ambiente. A largura do bandgap também determina as propriedades ópticas do material, como absorção, emissão e transmissão de luz. Materiais com bandgaps menores geralmente apresentam boas propriedades de absorção de luz porque podem absorver mais fótons. Os materiais com bandgaps maiores, por outro lado, costumam ser transparentes ou translúcidos porque só podem absorver fótons com energias maiores que a largura do bandgap. Esses diferentes desempenhos de propriedade também determinam que o SiC e o Si sejam aplicados em diferentes cenários de uso.

3.2.3 Propriedades mecânicas e estabilidade química

A dureza Mohs do SiC é de aproximadamente 9-9,5, próxima à dureza do diamante, enquanto a dureza Mohs do Si é de aproximadamente 7, um pouco menor que a do SiC. A alta dureza do SiC lhe confere boa resistência à abrasão e a arranhões, tornando-o adequado para uso na fabricação de dispositivos que exigem resistência à abrasão. Ao mesmo tempo, a resistência do SiC é geralmente maior do que a do Si. O SiC tem excelente resistência à flexão e à tração e pode suportar tensões maiores sem deformação ou ruptura. O SiC tem boa estabilidade química em temperatura ambiente e não é facilmente atacado por ácidos, álcalis e solventes, enquanto o Si é atacado por alguns agentes oxidantes fortes e ácidos fortes.

4 Cenários de aplicação diferentes para o carbeto de silício e o silício

Considerando as propriedades distintas do SiC e do Si decorrentes de suas estruturas cristalinas, é evidente como suas aplicações são adaptadas aos seus pontos fortes.

O SiC apresenta excepcional estabilidade térmica e resistência a altas temperaturas, o que o torna ideal para a criação de dispositivos eletrônicos que operam sob condições extremas de calor. As aplicações incluem dispositivos de energia, dispositivos de RF e muito mais. Seu desempenho robusto em ambientes de alta temperatura abre possibilidades para atender às demandas em setores como eletrônica de potência, comunicações de RF e eletrônica automotiva. Além disso, a maior largura de banda do SiC se traduz em tensões de ruptura mais altas e menor resistência de ativação, o que o torna particularmente adequado para a fabricação de dispositivos de alta potência, como MOSFETs e diodos de potência.

Por outro lado, o Si se destaca como um dos materiais semicondutores mais predominantes, encontrando amplo uso em dispositivos eletrônicos convencionais, como transistores, circuitos integrados e células solares. Ele serve como um material fundamental na microeletrônica, beneficiando-se de tecnologias de preparação e métodos de processamento maduros que permitem altos níveis de integração e miniaturização. A versatilidade do Si se estende a aplicações optoeletrônicas, como LEDs, lasers, fotodetectores e células solares, aproveitando suas excelentes propriedades fotovoltaicas e eficiência de conversão fotoelétrica.

5 Conclusão

Em comparação com o silício, o carbeto de silício tende a ter uma gama mais ampla de aplicações em cenários de temperatura mais alta, mas, devido ao seu processo de preparação e à pureza do produto acabado obtido, as pastilhas de silício ainda são a opção mais comumente usada nos casos em que os requisitos de temperatura ambiente são relativamente baixos. A Stanford Advanced Materials fornece wafers de carbeto de silício e wafers de silício de alta qualidade para suas diversas utilizações.

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Referência:

[1]Fenglin G ,Chen S ,Xiufang C , et al. Shape modulation due to sub-surface damage difference on N-type 4H-SiC wafer during lapping and polishing[J]. Ciência dos Materiais no Processamento de Semicondutores,2022,152.